Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben

156 Pages·2000·2.289 MB·German

by  Löfler J.

Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung
von Fahrzeugantrieben
Von der Fakult(cid:127)at Verfahrenstechnik und Technische Kybernetik
der Universit(cid:127)at Stuttgart zur Erlangung der Wu(cid:127)rde eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung
vorgelegt von
Ju(cid:127)rgen L(cid:127)offler
aus Stuttgart
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. A. Kistner
Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. C. Woernle
Tag der mu(cid:127)ndlichen Pru(cid:127)fung: 27. Juli 2000
Institut A fu(cid:127)r Mechanik der Universit(cid:127)at Stuttgart
2000

Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand berufsbegleitend zu meiner T(cid:127)atigkeit als Mitarbeiter
im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH, Stutt-
gart. Herrn Dr.-Ing. Klaus-Peter Schnelle, Leiter der Abteilung Antriebstrangsysteme
FV/SLT, und Herrn Dipl.-Ing. Ferdinand Grob, Leiter der Gruppe FV/SLT2, danke
ich herzlich fu(cid:127)r die Unterstu(cid:127)tzung meines Promotionsvorhabens. Sie haben mir den
fachlichen Freiraum zur Untersuchung neuer Methoden im Rahmen der Projektarbeit
gew(cid:127)ahrt und standen mir jederzeit als kompetente Ansprechpartner zur Verfu(cid:127)gung.
Herrn Professor Dr.-Ing. Arnold Kistner vom Institut A fu(cid:127)r Mechanik der Universit(cid:127)at
Stuttgart danke ich fu(cid:127)r die engagierte Betreuung der Arbeit und die U(cid:127)bernahme des
Hauptberichts. Herr Professor Kistner hat mir w(cid:127)ahrend meines Studiums der Tech-
nischen Kybernetik und bei der Erstellung der Dissertation wesentliche fachliche Im-
pulse gegeben und mich gef(cid:127)ordert. Dafu(cid:127)r gilt ihm mein herzlicher Dank.
Herr Professor Dr.-Ing. Christoph Woernle vom Institut fu(cid:127)r Antriebstechnik und Me-
chatronik der Universit(cid:127)at Rostock hat durch seine wertvolle Kritik zum Gelingen der
Arbeit beigetragen. Dafu(cid:127)r und fu(cid:127)r seine Bereitschaft, den Mitbericht zu u(cid:127)bernehmen,
bedanke ich mich herzlich.
Meine Kollegen Dr.rer.nat. Holger Hu(cid:127)lser und Dipl.-Ing. Peter Bolz haben durch an-
regende Diskussionen und Kritik Anteil an der Arbeit. Ihnen und den Studenten, die
mich durch Studien- und Diplomarbeiten unterstu(cid:127)tzt haben, gilt dafu(cid:127)r mein Dank.
Ludwigsburg, im September 2000 Ju(cid:127)rgen L(cid:127)o(cid:15)er
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Kurzfassung
Hohe Umweltvertr(cid:127)aglichkeit und Wirtschaftlichkeit, dynamisches Fahrverhalten, Fahr-
komfort und Fahrsicherheit sind wesentliche Ziele bei der Entwicklung von Fahrzeug-
antrieben und elektronischen Systemen zur Fahrzeugsteuerung. Aufgabe eines Systems
zur Steuerung des Fahrzeugantriebs ist es, in allen Fahrsituationen und unter allen Be-
triebsbedingungen einen optimalen Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftsto(cid:11)verbrauch,
dynamischem Fahrverhalten und Emissionen zu erreichen. Dazu sind die Aggregate des
Antriebstrangs so anzusteuern, dass sich ein optimaler Betriebszustand entsprechend
einstelltund die vom Fahrer bei einer gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit angeforderte
Antriebsleistung realisiert wird.
In dieser Arbeit werden Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahr-
zeugantrieben vorgestellt.Ihre Funktionalit(cid:127)atwird miteinemSystem zur koordinierten
Antriebstrangsteuerung fu(cid:127)r Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe nachgewie-
sen. Durch eine dynamische Adaption des Betriebszustands des Antriebstrangs an die
Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen wird ein optimaler Fahrzeug-
betrieb bei hohem Fahrkomfort und Fahrsicherheit erreicht. Die entwickelten neuen
Verfahren basieren auf einer koordinierten Ansteuerung der Aggregate des Fahrzeug-
antriebs und sind in ein Gesamtsystem zur Fahrzeugsteuerung eingebettet.
Die Aufgabe der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird
als Mehrkriterien-Optimierungsproblem formuliert. Die in Echtzeit w(cid:127)ahrend des Fahr-
betriebs ermittelte L(cid:127)osung maximiert die dynamische Leistungsreserve, den Antrieb-
strang-Wirkungsgrad und die Emissions-E(cid:14)zienz im Sinne einer Edgeworth-Pareto-
Optimalit(cid:127)at. Fu(cid:127)r die Optimierungskriterien werden physikalisch basierte Gu(cid:127)tefunktio-
nen de(cid:12)niert und in einer skalaren Zielfunktion zusammengefasst. Ihre Gewichtung
erfolgt abh(cid:127)angig von der Fahrsituation, dem Fahrertyp und von Betriebsbedingungen.
Zur Optimierung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit bei Gangwechseln des automa-
tisierten Schaltgetriebes wird ein Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung fu(cid:127)r
den Schaltvorgang vorgestellt, das auf der L(cid:127)osung eines Problems der optimalenSteue-
rung beruht. Dazu wird der Verlauf von Zustandsgr(cid:127)o(cid:25)en des Antriebs mit B-Spline-
Funktionen beschrieben, so dass ein auf physikalischen Bewertungsgr(cid:127)o(cid:25)en basierendes
Zielfunktional minimiert wird.
Die beiden entwickelten Verfahren zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands
und zur Optimierung des Schaltvorgangs wurden mit dem Echtzeit-Steuerungs- und
Regel-System ASCET-SD implementiert und durch Simulation in Verbindung mit
einem Modell des Fahrzeugs sowie mit Versuchstr(cid:127)agern erprobt. Die systematische
Beru(cid:127)cksichtigung verschiedener, sich teilweise entgegenstehender Ziele durch physi-
kalisch basierte Optimierungskriterien und deren adaptive Gewichtung w(cid:127)ahrend des
Fahrbetriebs hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen.
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung 5
Liste der Symbole und Abku(cid:127)rzungen 9
1 Einleitung 13
1.1 Aufgabenstellung und Inhalt der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Systeme zur Steuerung von Fahrzeugantrieben . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Systemarchitektur der Fahrzeugsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik 23
2.1 Dynamische Modelle der Aggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.1 Motor und Motor-Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.2 Kupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.4 Di(cid:11)erential, Achse und Rad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Dynamik des Antriebstrangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Fahrzeug-L(cid:127)angsdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Fahrzeug-L(cid:127)angsschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
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7
3 Optimierungskriterien fu(cid:127)r das Antriebsmanagement 41
3.1 Mehrkriterien-Optimierungsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 De(cid:12)nition von Optimierungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 Dynamische Leistungsreserve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.2 Antriebstrang-Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.3 Emissions-E(cid:14)zienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Optimalit(cid:127)atskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung 53
4.1 Bestimmung des optimalen Betriebszustands . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.1 De(cid:12)nition einer skalaren Zielfunktion . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.2 Dynamische Adaption der Zielfunktion . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 Simulation von Fahrzyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.1 Co-Simulation von Steuerung und Fahrzeugmodell . . . . . . . . 67
4.3.2 System-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4 Ergebnisse aus Fahrversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.1 De(cid:12)nition von Kenngr(cid:127)o(cid:25)en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.2 Stadtfahrten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.3 Fahrten au(cid:25)erorts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5 Optimierungskriterien fu(cid:127)r den Schaltvorgang 88
5.1 Phasen des Schaltvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2 De(cid:12)nition von Optimierungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8
5.2.1 Antriebsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.2 Fahrzeug-L(cid:127)angsbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.3 Dissipationsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3 Formulierung des Optimierungsproblems . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Koordinierte Aggregatesteuerung fu(cid:127)r den Schaltvorgang 100
6.1 Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie . . . . . . . . . . . . . . 101
6.1.1 Verlauf des Kupplungsmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1.2 Verlauf der Motordrehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2 Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3 Simulation von Schaltvorg(cid:127)angen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4 Ergebnisse aus Fahrversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7 Zusammenfassung und Ausblick 136
Anhang 139
A Systemimplementierung mit ASCET 139
B Simulation des Fahrzeugmodells mit Matlab/Simulink 141
C Co-Simulation von Steuerung und Fahrzeugmodell 144
Literaturverzeichnis 147
Liste der Symbole und
Abku(cid:127)rzungen
Lateinische Symbole
2
ax m/s Fahrzeug-L(cid:127)angsbeschleunigung
aft Fahrertyp ((cid:127)okonomisch{dynamisch)
afaw normierter Fahrwiderstand
a Parameter-Vektor
2
A m Fahrzeug-Stirn(cid:13)(cid:127)ache
be g/kWh spezi(cid:12)scher Kraftsto(cid:11)verbrauch
bt g/h Massenstrom des Kraftsto(cid:11)verbrauchs
bs l/100km streckenbezogener Kraftsto(cid:11)verbrauch
B Penalty-Funktion
c g/kWh spezi(cid:12)sche Emission
cx Luftwiderstands-Beiwert
C Nm/rad Drehfeder-Stei(cid:12)gkeit
f(:) Verteilungsdichte
fr Rollwiderstands-Beiwert
Ffaw N Fahrwiderstand
Fx N Zugkraft
Fz N Rad-Normalkraft
g Getriebe-Gang
gi Gu(cid:127)tefunktion
g Vektor von Gu(cid:127)tefunktionen
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G Zielfunktion, Zielfunktional fu(cid:127)r
Ga - Verlauf der Fahrzeug-L(cid:127)angbeschleunigung
Gd - Dissipationsenergie
Ge - Emissions-E(cid:14)zienz
G(cid:17) - Antriebstrang-Wirkungsgrad
Gp - dynamische Leistungsreserve
Gw - Abweichung der Antriebsarbeit
H Hysterese
m kg Masse
M Nm Drehmoment
Mm Nm e(cid:11)ektives Motormoment
n 1/min Drehzahl
patm Pa atmosph(cid:127)arischer Luftdruck
P W Leistung
Pa W Antriebsleistung
(cid:1)Pa W dynamische Leistungsreserve
rr m Rad-Radius
s Schlupf
st 1/min mittlere Schalth(cid:127)au(cid:12)gkeit
t s Zeit
T s Dauer
u kinematische Getriebe-U(cid:127)bersetzung
u Vektor von Eingangsgr(cid:127)o(cid:25)en
v km/h Fahrzeug-Geschwindigkeit
W J Arbeit
x Betriebszustand des Antriebstrangs
xk Kandidaten-Betriebszustand
x^ optimaler Betriebszustand
x^s(t) optimale Systemtrajektorie
X Menge zul(cid:127)assiger Betriebszust(cid:127)ande
P
X Menge Edgeworth-Pareto-optimaler
Betriebszust(cid:127)ande
Xs Raum zul(cid:127)assiger Systemtrajektorien